Analysis of the hydrodynamic forces acting on a submerged floating tunnel during a seaquake

The present thesis work’s goal is to analyze the hydrodynamic forces loading a structure immersed in water, in this case the Archimede’s Bridge (Submerged Floating Tunnel), during seismic events. The study starts from observing what happens on offshore structures subjected to a wave field, form the motion field computation, passing through the main non-dimensional parameters of interest, until the introduction of drag and inertia forces, employed in the simplified Morison approach, and its hydrodynamic coefficients. Next, the same theory applied for gravity waves, is adapted for the analysis of seaquake effects: in a first moment the resultant motion field is computed, under the assumption of vertical propagating compressional P-wave, observing also the filtering effect provided by ground layers resting over the bedrock, while in a second moment, the treatment is based on the analysis of drag and inertia hydrodynamic forces and coefficients, verifying their validity according to the main hydraulic non-dimensional parameters. For all the computations reported above, resonance and anti-resonance phenomena characterizing wave propagation in water are reported, and what happens if water damping is considered. In the end, analyzing the Submerged Floating Tunnel Project for the Messina Strait, the dominance of drag or inertia forces can be observed as a factor of primary importance while evaluating the structure’s dynamic behavior, looking to modal analysis results provided by previous simulations.

Scopo del presente elaborato è di analizzare le forze di carattere idrodinamico che colpiscono una struttura immersa in acqua, in questo caso il Ponte di Archimede (Tunnel flottante) durante eventi sismici. Lo studio ha inizio dall’analisi degli effetti del moto ondoso sulle strutture offshore, a partire dal problema di calcolo del campo di moto in acqua, passando per i principali parametri adimensionali di interesse, fino all’introduzione delle forze di trascinamento e inerzia, elementi di interesse nell’approccio di Morison, e dei relativi coefficienti idrodinamici. Successivamente, la stessa teoria applicata per le onde di gravità, viene adattata per l’analisi degli effetti del maremoto: in un primo momento viene valutato il campo di moto risultante, sotto l’ipotesi di onda di compressione P verticale propagante in direzione verticale, valutando inoltre l’effetto filtrante fornito da ulteriori strati di ghiaia a riposo sopra lo strato roccioso, mentre in un secondo momento, la trattazione si concentra sull’analisi delle forze idrodinamiche di trascinamento e inerzia e dei relativi coefficienti, valutandone la validità in accordo ai principali parametri adimensionali idraulici. In tutte le analisi sopra riportate vengono evidenziati i fenomeni di risonanza e anti-risonanza che caratterizzano la propagazione delle onde P di compressione nell’acqua, e gli effetti che l’introduzione dei fenomeni di smorzamento comporta. Infine, valutando il progetto del Tunnel flottante per lo Stretto di Messina, si osserva come la predominanza delle forze di trascinamento o di inerzia, sia un fattore di primaria importanza nella valutazione del comportamento dinamico della struttura, in seguito ai risultati forniti da vecchie analisi modali.